DE102013107773A1

DE102013107773A1 - Regelung einer resonanten Halbbrückenschaltung

Info

Publication number: DE102013107773A1
Application number: DE201310107773
Authority: DE
Inventors: Wenqi Zhou; Josef Fisch
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2015-01-22

Abstract

Ein Regelungsverfahren für eine resonante Halbbrückenschaltung eines Leistungswandlers mit einem Highside-Schalter und einem Lowside-Schalter wird beschrieben, wobei der Leistungswandler einen Ausgangsbereich aufweist, und wobei der Highside-Schalter mit einem pulsweitenmodulierten Highside-Gate-Signal betrieben wird, das eine Anschaltzeitdauer und eine Ausschaltzeitdauer aufweist. Zumindest an einem ersten Arbeitspunkt des Ausgangsbereichs und einem zweiten Arbeitspunkt des Ausgangsbereichs werden jeweils unterschiedliche Werte für die Anschaltzeitdauer und die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals verwendet. Weitere Ausführungsformen betreffen eine Regelschaltung für eine resonante Halbbrückenschaltung sowie einen Leistungswandler mit einer resonanten Halbbrückenschaltung, in welchen jeweils das beschriebene Verfahren eingesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren für eine resonante Halbbrückenschaltung sowie eine Regelschaltung und einen Leistungswandler mit resonanter Halbbrückenschaltung, bei denen jeweils ein derartiges Regelungsverfahren eingesetzt wird.
Halbbrückenschaltungen umfassen typischerweise einen Highside-Schalter sowie einen Lowside-Schalter, die in Serie geschaltet sind. Der Ausgang der Halbbrückenschaltung ist dabei an den Schaltungsknoten zwischen dem Highside-Schalter und dem Lowside-Schalter gekoppelt. Eine derartige Halbbrückenschaltung ist beispielsweise in dem Buch „Schaltnetzteile und ihre Peripherie" von U. Schlienz, Verlag Vieweg, 2001, beschrieben. An das Gate des Highside-Schalters und das Gate des Lowside-Schalters wird jeweils ein pulsweitenmoduliertes Signal, ein sogenanntes PWM-Signal, angelegt. Dabei wird der Highside-Schalter periodisch über eine Anschaltzeitdauer HS_on eingeschaltet und anschließend über eine Ausschaltzeitdauer HS_off ausgeschaltet. Während der Highside-Schalter ausgeschaltet ist, wird der Lowside-Schalter für eine Anschaltzeitdauer LS_on eingeschaltet. Umgekehrt wird der Highside-Schalter während einer Ausschaltzeitdauer LS_off des Lowside-Schalters eingeschaltet.
Resonante Halbbrücken-DC/DC-Wandler können eine hohe Effizienz erreichen. Dabei wird der Wandler üblicherweise mit einer konstanten Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters betrieben, um ein sogenanntes Zero-Voltage-Switching (ZVS) zu erreichen, wie es beispielsweise in der 1 dargestellt ist. Da die Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters konstant ist, wird die Leistungsübertragung nur durch die Anschaltzeitdauer HS_on des Highside-Schalters bestimmt. Die konstante Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters wird dabei derart festgelegt, dass das resonante Verhalten ein möglichst verlustfreies Schalten ermöglicht, und hängt dabei insbesondere von den passiven Komponenten des Wandlers, wie beispielsweise den verwendeten Kapazitäten und Induktivitäten ab.
1 zeigt das Ansteuersignal HS_Gate für den Highside-Schalter, das Ansteuersignal LS_Gate für den Lowside-Schalter sowie den zeitlichen Verlauf des Ausgangsstroms der Halbbrückenschaltung bei einem üblichen Regelungsverfahren für einen resonanten Halbbrückenwandler. Der Ausgangsstrom der Halbbrückenschaltung wird dabei typischerweise an die Primärseite eines Transformators gekoppelt. Sowohl Highside-Schalter als auch Lowside-Schalter werden mit einem Tastverhältnis angesteuert, das durch die entsprechenden Anschaltzeitdauern HS_on, LS_on und Ausschaltzeitdauern HS_off, LS_off definiert ist, wie sie in 1 gezeigt sind. Um ein Zero-Voltage-Switching zu erreichen, wird der Highside-Schalter wie in 1 gezeigt eingeschaltet, während der Ausgangsstrom einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Auf diese Weise wird eine hohe Effizienz des Wandlers erreicht.
2 zeigt den Verlauf des Highside-Ansteuersignals HS_Gate, des Lowside-Ansteuersignals LS_Gate sowie des Ausgangsstroms bei einer längeren Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters als in 1. Bei längerem HS_off wird der Highside-Schalter eingeschaltet, während der Ausgangsstrom noch negativ ist, aber für ein Zero-Voltage-Switching zu niedrig ist. In diesem Fall wird kein Zero-Voltage-Switching erreicht und bei den Schaltübergängen treten Impulsspitzen auf, wie sie ebenfalls in 2 zu sehen sind. Im Vergleich zu der 1, bei welcher HS_off niedriger ist, ist die Effizienz bei der Regelung gemäß 2 geringer.
Während die Regelung der resonanten Halbbrückenschaltung gemäß 1 prinzipiell eine hohe Wandlungseffizienz ermöglicht, wird diese nur innerhalb eines eng begrenzten Ausgangsbereichs erreicht, der typischerweise durch einen Ausgangsspannungsbereich definiert ist. Wenn die Ausgangsspannung zu groß oder zu niedrig ist, bewirkt die oben beschriebene Regelung eine sehr hohe oder sehr niedrige Schaltfrequenz und der Transformator wird entweder zu heiß oder in Sättigung betrieben. Eine zu hohe Schaltfrequenz verschärft ferner die EMV-Problematik, während eine zu geringe Schaltfrequenz hohe Verluste bewirkt.
Es besteht daher ein Bedarf nach einer flexibleren Regelung für eine resonante Halbbrückenschaltung, die über einen größeren Ausgangsbereich hinweg eine effiziente Leistungswandlung ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch das Regelungsverfahren nach Anspruch 1, das computerlesbare Medium nach Anspruch 11, die Regelschaltung nach Anspruch 12 sowie den Leistungswandler nach Anspruch 21. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstände der Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Regelungsverfahren für eine resonante Halbbrückenschaltung eines Leistungswandlers mit einem Highside-Schalter und einem Lowside-Schalter bereitgestellt, wobei der Leistungswandler einen Ausgangsbereich aufweist, und wobei der Highside-Schalter mit einem pulsweitenmodulierten Highside-Gate-Signal betrieben wird, das eine Anschaltzeitdauer und eine Ausschaltzeitdauer aufweist. Zumindest an einem ersten Arbeitspunkt des Ausgangsbereichs und einem zweiten Arbeitspunkt des Ausgangsbereichs werden jeweils unterschiedliche Werte für die Anschaltzeitdauer und die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals verwendet.
Erfindungsgemäß werden somit sowohl HS_on als auch HS_off variiert, um einen größeren Ausgangsbereich für einen Leistungswandler mit resonanter Halbbrückenschaltung bei gleichzeitig hoher Effizienz zu ermöglichen. Bei bisherigen resonanten Habbrückenwandlern wird üblicherweise lediglich die Anschaltzeitdauer HS_on des Highside-Schalters variiert, um am Ausgang des Leistungswandlers unterschiedliche Ausgangsspannungen zu ermöglichen. Der Leistungswandler umfasst dabei ferner einen an den Ausgang der Halbbrückenschaltung gekoppelten Transformator, wie unten näher erläutert werden wird. Die Ausgangsspannung V_o des Leistungswandlers, der an die Sekundärseite des Transformators gekoppelt ist, entspricht dabei
wobei V_in die Eingangsspannung des Leistungswandlers bzw. der Halbbrückenschaltung, D das Tastverhältnis und N_S und N_P die sekundäre bzw. primäre Wicklungszahl des Transformators sind. Das Tastverhältnis entspricht dabei D = HS_on/(HS_on + HS_off). (2)
Bei herkömmlichen Halbbrückenwandlern wird die Ausgangsspannung V_o lediglich durch die Variation von HS_on eingestellt. Erfindungsgemäß wird in Abhängigkeit des Arbeitspunktes, insbesondere der gewünschten Ausgangsspannung V_o, nicht nur HS_on, sondern auch HS_off variiert. Auf diese Weise kann über einen größeren Ausgangsbereich des Wandlers eine hohe Effizienz erreicht werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Halbbrückenwandler durch einen Ćuk-Konverter realisiert, wodurch ein Leistungstransfer von der Primär- zur Sekundärseite auch bei geschlossenem Lowside-Schalter ermöglicht wird.
Ferner wird in einigen Ausführungsformen der Lowside-Schalter mit einem pulsweitenmodulierten Lowside-Gate-Signal betrieben, das eine Anschaltzeitdauer LS_on und eine Ausschaltzeitdauer LS_off aufweist. Da die Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters einer Anschaltzeitdauer LS_on des Lowside-Schalters plus Totzeit entspricht, HS_off = LS_on + 2·t_dead, ist die beschriebene Regelung äquivalent zu einem Regelungsverfahren, bei welchem eine Anschaltzeitdauer LS_on und eine Ausschaltzeitdauer LS_off des Lowside-Schalters der Halbbrückenschaltung am ersten und zweiten Arbeitspunkt jeweils unterschiedlich sind.
Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei einer ersten Ausgangsspannung des Leistungswandlers eine erste Ausschaltzeitdauer HS_off ¹ des Highside-Schalters verwendet wird und bei einer zweiten Ausgangsspannung des Leistungswandlers eine zweite Ausschaltzeitdauer HS_off ² des Highside-Schalters verwendet wird, wobei die erste Ausgangsspannung kleiner als die zweite Ausgangsspannung ist und die erste Ausschaltzeitdauer HS_off ¹ größer als die zweite Ausschaltzeitdauer HS_off ² ist. In einigen Ausführungsformen werden an zumindest einem, bevorzugt zwei oder mehr weiteren Arbeitspunkten des Ausgangsbereichs weitere, jeweils unterschiedliche Werte für die Anschaltzeitdauer und/oder die Ausschaltzeitdauer des Highside-Schalters verwendet. Alternativ oder zusätzlich können zumindest an dem ersten Arbeitspunkt und dem zweiten Arbeitspunkt unterschiedliche Werte für zumindest einen, bevorzugt zwei weitere Regelungsparameter verwendet werden, wie unten näher beschrieben ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters am ersten und/oder zweiten Arbeitspunkt und in einigen Ausführungsformen sogar im gesamten Ausgangsbereich des Leistungswandlers zwischen 0,5 μs und 250 μs, insbesondere zwischen 1 μs und 100 μs und bevorzugt zwischen 1 μs und 10 μs.
In einigen Ausführungsformen unterscheidet sich die Anschaltzeitdauer und/oder die Ausschaltzeitdauer des Highside-Schalters am ersten und am zweiten Arbeitspunkt um zumindest 10 ns, insbesondere zumindest 50 ns und bevorzugt zumindest 100 ns.
In einigen Ausführungsformen liegt die Anschaltzeitdauer HS_on des Highside-Schalters am ersten und/oder zweiten Arbeitspunkt und in einigen Ausführungsformen sogar im gesamten Ausgangsbereich zwischen 0,05 μs und 500 μs, insbesondere zwischen 0,1 μs und 250 μs und bevorzugt zwischen 0,1 μs und 20 μs.
Zwischen dem Ausschalten des Highside-Schalters und dem Einschalten des Lowside-Schalters sowie zwischen dem Ausschalten des Lowside-Schalters und dem Einschalten des Highside-Schalters liegt eine sogenannte Totzeit t_dead. Während der Totzeit sind sowohl Lowside- Schalter als auch Highside-Schalter der Halbbrückenschaltung ausgeschaltet. Die Totzeit kann in einigen Ausführungsformen zwischen 0,05 μs und 10 μs, insbesondere zwischen 0,08 μs und 5 μs und bevorzugt zwischen 0,1 μs und 2 μs betragen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Summe aus Anschaltzeitdauer und Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals am ersten und am zweiten Arbeitspunkt und in einigen Ausführungsformen sogar im gesamten Ausgangsbereich gleich. Die Summe aus Anschaltzeitdauer und Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals ist dabei typischerweise gleich der Summe aus Anschaltzeitdauer und Ausschaltzeitdauer des Lowside-Gate-Signals, mit dem der Lowside-Schalter angesteuert wird. Beide Summen entsprechen der Taktperiode T, mit der die Halbbrückenschaltung betrieben wird.
In einigen Ausführungsformen wird die Taktperiode über den gesamten Ausgangsbereich des Leistungswandlers konstant gehalten. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Halbbrückenschaltung, d. h. der Highside-Schalter und der Lowside-Schalter, am ersten und/oder zweiten Arbeitspunkt und in einigen Ausführungsformen sogar im gesamten Ausgangsbereich mit einer Taktperiode zwischen 1 μs und 500 μs, insbesondere zwischen 2 μs und 100 μs und bevorzugt zwischen 5 μs und 20 μs betrieben wird.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen unterscheiden sich der erste und der zweite Arbeitspunkt zumindest oder nur in einer Ausgangsspannung des Leistungswandlers. Zusätzlich oder alternativ können sich der erste und der zweite Arbeitspunkt in einem Ausgangsstrom des Leistungswandlers unterscheiden. In einigen Fällen wird ein gegebener Arbeitspunkt des Leistungswandlers durch eine Kombination aus Ausgangsspannung und Ausgangsstrom des Leistungswandlers definiert.
Der Ausgangsbereich des Leistungswandlers kann in einigen Ausführungsformen durch einen Ausgangsspannungsbereich von 1 V bis 80 V, insbesondere von 2 V bis 60 V und bevorzugt von 5 V bis 42 V definiert sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Ausgangsbereich durch einen Ausgangsstrombereich von 10 mA bis 8 A, insbesondere von 50 mA bis 5 A und bevorzugt von 0,1 A bis 2 A definiert sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anschaltzeitdauer oder die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals über zumindest einen ersten Teilbereich des Ausgangsbereichs, in dem der erste Arbeitspunkt liegt, konstant. Auf diese Weise wird vermieden, dass sich beide Zeitdauern um den ersten Arbeitspunkt herum ändern, wodurch eine Regelung erschwert werden würde. Die Ausschaltzeitdauer bzw. die Anschaltzeitdauer, d. h. die jeweils andere Größe, kann dabei in dem zumindest einen ersten Teilbereich variieren. Der erste Teilbereich kann beispielsweise nur durch einen Ausgangsspannungsbereich, nur durch einen Ausgangsstrombereich oder durch eine Kombination aus einem Ausgangsspannungsbereich und einem Ausgangsstrombereich definiert sein. Es kann dabei besonders vorteilhaft sein, wenn insbesondere die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals über zumindest einen ersten Teilbereich des Ausgangsbereichs, in dem der erste Arbeitspunkt liegt, konstant ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anschaltzeitdauer bzw. die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals ferner über zumindest einen zweiten Teilbereich des Ausgangsbereichs, in dem der zweite Arbeitspunkt liegt, konstant. Die Ausschaltzeitdauer bzw. die Anschaltzeitdauer kann dabei in dem zumindest einen zweiten Teilbereich variieren. In einigen Ausführungsformen ist beispielsweise die Anschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals in dem ersten und dem zweiten Teilbereich jeweils konstant, während die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals in dem ersten und/oder zweiten Teilbereich variiert. Die Anschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals kann dabei im ersten und zweiten Teilbereich unterschiedliche, aber jeweils konstante Werte annehmen. In einigen alternativen Ausführungsformen ist die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals in dem ersten und dem zweiten Teilbereich jeweils konstant, während die Anschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals in dem ersten und/oder zweiten Teilbereich variiert. Die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals kann dabei im ersten und zweiten Teilbereich unterschiedliche, aber jeweils konstante Werte annehmen. Es kann dabei besonders vorteilhaft sein, wenn insbesondere die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals über zumindest einen zweiten Teilbereich des Ausgangsbereichs, in dem der zweite Arbeitspunkt liegt, konstant ist.
Der gesamte Ausgangsbereich des Leistungswandlers kann beispielsweise zwei, drei oder mehr disjunkte Teilbereiche, wie beispielsweise disjunkte Ausgangsspannungsteilbereiche, aufweisen, wobei die Anschaltzeitdauer bzw. die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals in den verschiedenen Teilbereichen unterschiedliche Werte annimmt, aber innerhalb eines jeden Teilbereichs konstant ist.
Es ist bevorzugt, dass die Teilbereiche benachbart sind oder aneinander grenzen. Insbesondere kann der gesamte Ausgangsbereich aus derartigen Teilbereichen bestehen.
In einigen Ausführungsformen wird die Anschaltzeitdauer bzw. die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals in zumindest drei, insbesondere zumindest vier und bevorzugt zumindest fünf verschiedenen, disjunkten Teilbereichen des Ausgangsspannungsbereichs jeweils auf unterschiedliche, innerhalb jedes Teilbereichs konstante Werte gesetzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform folgt die Anschaltzeitdauer bzw. die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals bei einem Übergang des Arbeitspunktes zwischen dem ersten und dem zweiten Teilbereich einer Hysterese. Auf diese Weise werden Regelungsschwingungen bei einem Übergang in einen anderen Teilbereich vermieden. In Ausführungsformen mit mehr als zwei Teilbereichen kann die Anschaltzeitdauer bzw. die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals bei einem Übergang des Arbeitspunktes zwischen benachbarten Teilbereichen einer Hysterese folgen.
Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Anschaltzeitdauer bzw. die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals bei einem Übergang der Ausgangsspannung zwischen verschiedenen Teilbereichen des Ausgangsspannungsbereichs, in welchen die Anschaltzeitdauer bzw. die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals jeweils konstant ist, einer Hysterese folgt. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Anschaltzeitdauer bzw. die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals bei einem Übergang des Ausgangsstroms zwischen verschiedenen Teilbereichen des Ausgangsstrombereichs, in welchen die Anschaltzeitdauer bzw. die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals jeweils konstant ist, keiner Hysterese folgt, sondern sich beispielsweise kontinuierlich oder sprungartig ändert. Letzteres ist beispielsweise zum Dimmen von einer an den Ausgang des Leistungswandlers gekoppelten LED-Anordnung vorteilhaft, bei der der Ausgangsstrom auf einen gewünschten Sollwert eingestellt werden soll, so dass keine Hysterese erforderlich ist. Im Falle einer kontinuierlichen Änderung des betreffenden Gate-Signals kann es vorteilhaft sein, wenn diese Änderung einer differenzierbaren oder linearen Funktion folgt. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Änderung der Anschaltzeitdauer bzw. der Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals in Abhängigkeit von der Regelung vorgenommen, beispielsweise in Abhängigkeit der Regelparameter einer PI-Regelung (proportional-integral control) und/oder in Abhängigkeit von dem Rückkopplungssignal der Regelung. Zur Festlegung einer geeigneten Ausschaltzeitdauer des Highside-Schalters in Abhängigkeit des Arbeitspunktes, insbesondere der Ausgangsspannung des Leistungswandlers, können folgende Gesichtspunkte zu Rate gezogen werden: Die Schaltverluste der Halbbrücke sollten minimiert werden. Der Stromwert beim Einschalten des Highside-Schalters sollte daher möglichst den in 1 gezeigten Wert nicht unterschreiten. Ferner sollten die resistiven Verluste, beispielsweise in einem Transformator des Leistungwandlers, minimiert werden. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen vorgesehen sein, dass das Verhältnis von Anschaltzeitdauer HS_on des Highside-Schalters zu der Summe aus Anschaltzeitdauer HS_on und Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters, d. h. also das Tastverhältnis D, zwischen 30% und 70%, insbesondere zwischen 40% und 60% und bevorzugt zwischen 45% und 55% betragen. Ferner sind auch die Kernverluste zu berücksichtigen. Im Allgemeinen sollte die Ausschaltzeitdauer HS_off möglichst kurz sein, da die Kernverluste bei höheren Schaltfrequenzen niedriger sind.
Je nach Arbeitspunkt, d. h. beispielsweise Ausgangsspannung des Leistungswandlers, variieren die Beiträge der verschiedenen Verlustmechanismen. Erfindungsgemäß kann die Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters je nach Arbeitspunkt geändert werden, um die Gesamtverluste, d. h. die Summe über die genannten Verlustmechanismen, möglichst zu minimieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird bei dem Verfahren eine PI-Regelung (proportional-integral control) verwendet, wobei zumindest einer der Regelparameter Kp oder Ki an dem ersten und dem zweiten Arbeitspunkt unterschiedliche Werte annimmt. Das Verfahren kann alternativ eine PID-Regelung (proportional-derivative-integral control) implementieren, wobei zumindest ein Regelparameter Kp, Ki und/oder Kd an dem ersten und dem zweiten Arbeitspunkt unterschiedliche Werte annimmt. Einer oder mehrerer der genannten Parameter Kp, Ki bzw. Kp, Ki, Kd können dabei in den gleichen Teilbereichen des Ausgangsbereichs konstant sein, wie die An- oder Ausschaltzeitdauer des Highside-Schalters. Kp bezeichnet den Regelparameter des Proportionalgliedes (P-Glied), Ki den des Integralgliedes (I-Glied) und Kd den des Differenziergliedes (D-Glied) der Regelung.
In einem weiteren Aspekt wird ein computerlesbares Medium bereitgestellt, auf welchem Instruktionen gespeichert sind, die, wenn sie von einem Mikroprozessor ausgeführt werden, den Mikroprozessor dazu veranlassen, ein Verfahren der oben beschriebenen Art auszuführen.
In einem weiteren Aspekt wird eine Regelschaltung für eine resonante Halbbrückenschaltung eines Leistungswandlers mit einem Highside-Schalter und einem Lowside-Schalter bereitgestellt, wobei der Leistungswandler einen Ausgangsbereich aufweist, und wobei die Regelschaltung einen Highside-Ausgang zur Ansteuerung des Highside-Schalters der Halbbrückenschaltung, einen Lowside-Ausgang zur Ansteuerung des Lowside-Schalters der Halbbrückenschaltung und einen Rückkopplungseingang umfasst. Die Regelschaltung ist dazu eingerichtet, an dem Highside-Ausgang ein pulsweitenmoduliertes Highside-Gate-Signal auszugeben, das eine Anschaltzeitdauer und eine Ausschaltzeitdauer aufweist, wobei zumindest an einem ersten Arbeitspunkt des Ausgangsbereichs und einem zweiten Arbeitspunkt des Ausgangsbereichs jeweils unterschiedliche Werte für die Anschaltzeitdauer und die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen ist die Regelschaltung eine digitale Regelschaltung. Es ist bevorzugt, dass die Regelschaltung zumindest teilweise, bevorzugt vollständig in einem Mikroprozessor implementiert ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich der erste und der zweite Arbeitspunkt zumindest in einer Ausgangsspannung und/oder einem Ausgangsstrom des Leistungswandlers. Der erste und der zweite Arbeitspunkt können beispielsweise gleiche Ausgangsströme und unterschiedliche Ausgangsspannungen, gleiche Ausgangsspannungen und unterschiedliche Ausgangsströme oder unterschiedliche Ausgangsspannungen und -ströme aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anschaltzeitdauer oder die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals über zumindest einen ersten Teilbereich des Ausgangsbereichs, in dem der erste Arbeitspunkt liegt, konstant, wie es oben näher beschrieben ist. Es ist dabei besonders bevorzugt, dass die Anschaltzeitdauer bzw. die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals über zumindest einen zweiten Teilbereich des Ausgangsbereichs, in dem der zweite Arbeitspunkt liegt, konstant ist.
Es ist ferner bevorzugt, dass die Teilabschnitte des Ausgangsbereichs benachbart sind oder aneinander grenzen. Die Anschaltzeitdauer bzw. die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals folgt bei einem Übergang des Arbeitspunktes zwischen dem ersten und dem zweiten Teilbereich bevorzugt einer Hysterese. Beispielsweise kann die Anschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals im ersten und zweiten Teilbereich jeweils konstante, aber unterschiedliche Werte annehmen und bei einem Übergang des Arbeitspunktes zwischen dem ersten und zweiten Teilbereich einer Hysterese folgen. Alternativ kann die Ausschaltzeitdauer des Highside-Gate-Signals im ersten und zweiten Teilbereich jeweils konstante, aber unterschiedliche Werte annehmen und bei einem Übergang des Arbeitspunktes zwischen dem ersten und zweiten Teilbereich einer Hysterese folgen.
Bei der Regelungsschaltung kann alternativ oder zusätzlich eine PI-Regelung oder eine PID-Regelung verwendet werden, wobei zumindest Kp oder Ki an dem ersten und dem zweiten Arbeitspunkt unterschiedliche Werte annimmt.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Leistungswandler mit einer resonanten Halbbrückenschaltung, die einen Highside-Schalter und einen Lowside-Schalter umfasst, einem Transformator und einer Regelschaltung der beschriebenen Art bereitgestellt. Eine Primärseite des Transformators ist an einen Ausgang der Halbbrückenschaltung gekoppelt und eine Sekundärseite des Transformators ist an einen Ausgang des Leistungswandlers gekoppelt. Der Highside-Ausgang der Regelschaltung kann mit dem Highside-Schalter der Halbbrückenschaltung gekoppelt sein und der Lowside-Ausgang der Regelschaltung kann mit dem Lowside-Schalter der Halbbrückenschaltung gekoppelt sein, wobei der Rückkopplungseingang der Regelschaltung mit der Halbbrückenschaltung gekoppelt ist. Das Rückkopplungssignal kann dabei an der der Primärseite oder Sekundärseite dieses Transformators zugeordneten Seite der Schaltung abgegriffen werden. Beispielsweise kann der Spannungsabfall an einem Ausgang oder einem Messwiderstand an der Primärseite abgegriffen werden, wobei auch ein, beispielsweise durch ein RC-Glied, gemitteltes Rückkopplungssignal abgegriffen werden kann. Alternativ kann das Rückkopplungssignal auch über eine Hilfswicklung an der Primärwicklung des Transformators der Halbbrückenschaltung abgegriffen werden. Eine weitere Alternative ist beispielsweise durch ein direktes Messen der Ausgangsspannung als Rückkopplungssignal gegeben, wobei die Rückkopplung dann vorzugsweise galvanisch getrennt realisiert ist, beispielsweise mittels eines Optokopplers.
Der Leistungswandler kann in einigen Ausführungsformen für eine Ausgangsleistung in einem Bereich von 20 W bis 800 Watt ausgelegt sein. Der Ausgangsbereich des Leistungswandlers kann beispielsweise durch eine Ausgangsleistung in dem Bereich von 5 W bis 500 W, insbesondere 10 W bis 250 W und bevorzugt zwischen 20 W und 150 W definiert sein.
In einigen Ausführungsformen ist der Leistungswandler zum Betrieb einer Leuchtdioden-(LED)-Anordnung und/oder einer Anordnung von organischen lichtemittierenden Vorrichtungen, sogenannten OLEDs (organic light emitting devices), ausgelegt. Der Leistungswandler ist bevorzugt ein DC/DC-Leistungswandler.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein durch den Lowside-Schalter fließender Strom oder ein in einer zweiten Primärwicklung der Primärseite des Transformators induzierter Strom an den Rückkopplungseingang der Regelschaltung rückgekoppelt. Gemäß einigen Ausführungsformen ist der Rückkopplungseingang der Regelschaltung mit einem Ausgang der Halbbrückenschaltung gekoppelt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren.
1 zeigt Signalverläufe bei einer resonanten Halbbrückenschaltung mit Zero-Voltage-Switching aus dem Stand der Technik.
2 zeigt Signalverläufe für eine resonante Halbbrückenschaltung ohne Zero-Voltage-Switching aus dem Stand der Technik.
3a zeigt den Zusammenhang zwischen Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters und Ausgangsspannung bei einer Regelung gemäß einer Ausführungsform.
3b zeigt eine Hysterese bei Variation der Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters und der Ausgangsspannung bei einer Regelung entsprechend 3a.
4a, b zeigen die Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters in Abhängigkeit von Kombinationen von Ausgangsstrom und Ausgangsspannung bei unterschiedlichen Übergängen des Arbeitspunktes bei einer Regelung gemäß einer Ausführungsform.
5a zeigt die Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters in Abhängigkeit des Ausgangsstroms bei einer Regelung gemäß einer Ausführungsform.
5b zeigt eine Hysterese bei Variation der Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters und des Ausgangsstroms bei einer Regelung entsprechend 5a.
6 zeigt eine Schaltskizze eines Leistungswandlers mit Halbbrückenschaltung.
7 zeigt eine Schaltskizze einer alternativen Ausgestaltung des Leistungswandlers mit Halbbrückenschaltung aus der 6.
8 zeigt eine Schaltskizze einer weiteren alternativen Ausgestaltung des Leistungswandlers mit Halbbrückenschaltung aus der 6.
9 zeigt eine Schaltskizze einer weiteren alternativen Ausgestaltung des Leistungswandlers mit Halbbrückenschaltung aus der 6.
3a zeigt eine schematische Darstellung dessen, wie die Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters bei einer Regelung gemäß einer Ausführungsform in Abhängigkeit der gewünschten Ausgangsspannung V_o des Leistungswandlers eingestellt wird. Dabei sind zwei verschiedene Blöcke, Block 1 und Block 2, vorgesehen. Innerhalb jedes Blocks ist dabei die Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters konstant. In Block 1 beträgt die Ausschaltzeitdauer des Highside-Schalter HS_off ¹, während sie in Block 2 HS_off ² beträgt. Während die Ausschaltzeitdauer des Highside-Schalters somit in jedem Block konstant ist, variiert die Anschaltzeitdauer HS_on des Highside-Schalters innerhalb jedes Blocks. Die Blöcke entsprechen dabei jeweils Teilbereichen des Ausgangsbereichs des Leistungswandlers.
Beispielsweise beträgt die Ausschaltzeitdauer des Highside-Schalters in Block 1 konstant HS_off ¹, während die Anschaltzeitdauer HS_on je nach gewünschter Ausgangsspannung V_o variiert. Insbesondere ist für den Block 1 eine minimale innerhalb des Blocks 1 vorgesehene Anschaltzeitdauer HS_on ^1,min des Highside-Schalters definiert. Wenn die gewünschte Ausgangsspannung V_o beispielsweise auf den Wert V₁ verringert wird, erreicht die in Block 1 für die konstante Ausschaltzeitdauer HS_off ¹ gemäß den Formeln (1) und (2) erforderliche Anschaltzeitdauer HS_on den für Block 1 minimal vorgesehenen Wert HS_on ^1,min. An diesem Punkt wechselt das Regelungsverfahren von Block 1 zu Block 2. In Block 2 wird der Highside-Schalter mit der konstanten Ausschaltzeitdauer HS_off ² betrieben. Die Anschaltzeitdauer HS_on des Highside-Schalters wird für die gewünschte Ausgangsspannung V₁ ausgehend von dem konstanten HS_off ² gemäß den Formeln (1) und (2) innerhalb des Blocks 2 eingestellt, wobei bei einem Übergang von HS_off ¹ zu HS_off ² die Anschaltzeitdauer HS_on des Highside-Schalters gemäß Formel (2) derart angepasst wird, dass das Tastverhältnis D zunächst annähernd unverändert bleibt.
Wenn die gewünschte Ausgangsspannung anschließend wieder auf den Wert V₂ ansteigt, erreicht die Anschaltzeitdauer HS_on bei dem konstanten Wert HS_off ² den in Block 2 maximal vorgesehenen Wert HS_on ^2,max. Bei diesem Arbeitspunkt wechselt das Regelungsverfahren von Block 2 zurück zu Block 1, d. h. die Ausschaltzeitdauer HS_off wird auf den konstanten Wert HS_off ¹ festgelegt und die Anschaltzeitdauer HS_on auf einen Wert HS_on ¹ geändert, der sich für die Ausgangsspannung V₂ bei unverändertem Tastverhältnis aus den Formeln (1) und (2) für die geänderte Ausschaltzeitdauer HS_off ¹ ergibt.
Allgemein wechselt das Regelungsverfahren ausgehend von einem Block n zu einem Block n – 1, wenn die Anschaltzeitdauer HS_on den für Block n festgelegten Maximalwert HS_on ^n,max erreicht bzw. überschreitet. Auf ähnliche Weise wechselt das Regelungsverfahren von Block n zu Block n + 1, wenn HS_on die für Block n vorgesehene minimale Anschaltzeitdauer HS_on ^n,min erreicht bzw. unterschreitet. Innerhalb jedes Blocks ist dabei die Ausschaltzeitdauer HS_off ⁿ jeweils konstant, wobei HS_off ⁿ beispielsweise mit größer werdendem n ebenfalls größer wird. In diesem Fall gilt, dass n umso größer ist, je kleiner die gewünschte Ausgangsspannung V_o ist. Anstelle der Anschaltzeitdauer HS_on kann auch eine andere Größe zur Umsetzung des Regelverfahrens verwendet werden. Insbesondere wird in einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung eine zur Ausgangsspannung proportionale Hilfsspannung abgegriffen, beispielsweise über eine zweite Primärwicklung eines Transformators der resonanten Halbbrücke. In einer weiteren, alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann auch die Ausgangsspannung V_o direkt gemessen werden. Das Ergebnis der Messung, bzw. die daraus abgeleitete Rückkopplungsgröße, kann insbesondere über ein galvanisch trennendes Koppelglied, etwa über eine induktive Kopplung oder über einen Optokoppler, an den Rückkopplungseingang zurückgegeben werden. Beispielsweise kann auch ein Messwiderstand auf der Sekundärseite der resonanten Halbbrücke zur Bestimmung der Ausgangsspannung verwendet werden. Ebenso kann ein Messwiderstand auf der Primärseite der resonanten Halbbrücke zur Bestimmung der Ausgangsspannung als Grundlage für die Rückkopplung verwendet werden. Jeder Block n ist somit durch eine konstante Ausschaltzeitdauer HS_off ⁿ des Highside-Schalters sowie durch eine maximale und/oder eine minimale Anschaltzeitdauer HS_on ^n,min bzw. HS_on ^n,max definiert. Hieraus ergeben sich über die Formel (2) auch innerhalb jedes Blocks ein minimales und ein maximales Tastverhältnis D.
Wenn das Regelungsverfahren von einem Block zu einem anderen wechselt, ändert sich dabei nicht nur die innerhalb des jeweiligen Blocks konstante Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters, sondern es wird auch die Anschaltzeitdauer HS_on des Highside-Schalters gemäß den Formeln (1) und (2) für die gewünschte Ausgangsspannung V_o eingestellt, um plötzliche Veränderungen im Tastverhältnis D, die beispielsweise Spannungs- und Stromspitzen, Überschwingungen, etc. verursachen könnten, zu vermeiden.
Darüber hinaus ist in einigen Ausführungsformen bei einem Übergang von einem Block zum anderen eine Hysterese vorgesehen, wie sie beispielsweise in der 3b dargestellt ist. Die dort dargestellte Hysterese verläuft beispielsweise zwischen den in 3a dargestellten Blöcken, Block 1 und Block 2, mit jeweils konstanten Ausschaltzeitdauern HS_off des Highside-Schalters. Ein weiteres Beispiel für solch eine Hysterese ist in 4a dargestellt. 4a zeigt den Ausgangsbereich eines Leistungswandlers mit resonanter Halbbrückenschaltung, der durch die Ausgangsspannung V_o sowie den Ausgangsstrom I_o definiert ist. Die in 4a eingezeichnete Linie P kennzeichnet dabei Punkte gleicher Ausgangsleistung, die der maximalen Ausgangsleistung des Leistungswandlers entspricht.
In 4a sind für verschiedene Teilbereiche des Ausgangsspannungsbereichs verschiedene Blöcke mit jeweils konstanter Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters vorgesehen. Bei einer Veränderung der gewünschten Ausgangsspannung V_o kann dabei die Grenze zwischen zwei benachbarten Blöcken überschritten werden. Wenn beispielsweise ausgehend von der Ausschaltzeitdauer HS_off ³ die Ausgangsspannung V_o reduziert wird und dabei ein Wert unterhalb von V₂₂ erreicht wird, wird der Block noch nicht sofort verlassen und eine neue Ausschaltzeitdauer HS_off ² eingestellt. Vielmehr hält das Regelungsverfahren die Ausschaltzeitdauer zunächst bei einem Wert von HS_off ³, bis auch die Spannung V₂₁ unterschritten wird. Erst dann wird die Ausschaltzeitdauer des Highside-Schalters auf den Wert HS_off ² eingestellt und die Anschaltzeitdauer HS_on des Highside-Schalters gemäß den Formeln (1) und (2) neu eingestellt. Wenn die Ausgangsspannung V_o anschließend wieder über den Wert V₂₁ erhöht wird, wird die Ausschaltzeitdauer HS_off nicht sofort auf HS_off ³ angepasst. Vielmehr wird die Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters erst dann von HS_off ² auf den Wert HS_off ³ geändert, wenn die Ausgangsspannung auch den Wert V₂₂ überschreitet. Das Regelverfahren kann ein ähnliches Hystereseverhalten auch bei einem Übergang zwischen den Ausschaltzeitdauern HS_off ¹ und HS_off ² anwenden.
In 4a ist ferner dargestellt, dass die Ausschaltzeitdauer HS_off zwar bei einer Veränderung der Ausgangsspannung V_o verändert wird, bei einer Änderung des Ausgangsstroms I_o jedoch im Allgemeinen konstant bleibt. Ferner ist bei einer Veränderung des Ausgangsstroms I_o keine Hysterese vorgesehen, auch wenn ein anderer Block eingestellt wird. Die in 4a gezeichneten Pfeile zeigen das Verhalten der Regelschaltung beim Dimmen des Leistungswandlers, d. h. bei einer Verringerung des Ausgangsstroms I_o.
Dadurch, dass der Ausgangsbereich der Halbbrückenschaltung durch eine maximale Ausgangsspannung V_o,max begrenzt ist, ergibt sich auch eine maximale Anschaltzeitdauer HS_on ^max des Highside-Schalters. Diese lässt sich berechnen durch: HS_on ^max = V_on ^max·N_p/N_s·T/V_in, (4) wobei T die Taktperiode ist (T = HS_on + HS_off) und V_in die Eingangsspannung der Halbbrückenschaltung ist. Auf ähnliche Weise kann die Regelschaltung HS_on bei jedem Ausgangsstrom I_o begrenzen, wenn die für den jeweiligen Strom I_o maximal zulässige Ausgangsspannung erreicht werden soll, die der maximalen Ausgangsleistung entspricht, wie sie beispielsweise durch die Linie P in 4a eingezeichnet ist.
4b zeigt einen zu der 4a ähnlichen Ausgangbereich eines Leistungswandlers mit resonanter Halbbrückenschaltung. Die Pfeile beschreiben dabei Fälle, in denen der Ausgangsstrom des Leistungswandlers zum Dimmen einer an den Ausgang angeschlossenen LED-Anordnung erhöht wird. Dabei ist gezeigt, dass bei einer Erhöhung des Ausgangsstroms I_o in einigen Fällen die Ausgangsspannung V_o verringert wird, um unterhalb der Leistungsbegrenzung P zu bleiben. In diesem Fall kann auch bei einer Veränderung des Ausgangsstroms I_o vorgesehen sein, dass der Block gewechselt und somit die Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters verändert wird.
Da beim Dimmen teilbereichsweise unterschiedliche Parameter, wie z. B. HS_off, verwendet werden, kann es zum Auslösen von Fehlerbedingungen kommen. Um dies zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass die Parameter, die innerhalb eines jeden Teilbereichs des Ausgangsbereichs konstant sind, von Block zu Block nur geringe Differenzen aufweisen. Ferner wird bei einem Übergang von einem Teilbereich zum nächsten, d. h. bei einer Änderung von HS_off, die Anschaltzeitdauer HS_on des Highside-Schalters gemäß der Formel (2) angepasst, um das Tastverhältnis D während des Übergangs konstant zu halten.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Anschaltzeitdauer HS_onkonstant bleibt, wenn die Ausschaltzeitdauer HS_off zunimmt. Alternativ oder zusätzlich kann die Anschaltzeitdauer HS_on verringert werden, wenn die Ausschaltzeitdauer HS_off abnimmt.
Während die 3a und 3b die Ausschaltzeitdauer HS_off in Abhängigkeit der Ausgangsspannung V_o zeigen, kann in einigen Ausführungsformen vorgesehen sein, dass die Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters in Abhängigkeit des gewünschten Ausgangsstroms I_o variiert und teilbereichsweise konstant ist, wie in 5a dargestellt ist. In 5a sind zwei Blöcke dargestellt, wobei die Ausschaltzeitdauer HS_off innerhalb jedes Blocks konstant ist. Wenn ausgehend von Block 1 mit einer konstanten Ausschaltzeitdauer HS_off ¹ und einer variierenden Anschaltzeitdauer HS_on des Highside-Schalters der Ausgangsstrom I_o beispielsweise auf den Wert I₂ erhöht wird, erreicht die Anschaltzeitdauer HS_on den für Block 1 vorgesehenen maximalen Wert HS_on ^1,max. An diesem Arbeitspunkt, d. h. bei einem Ausgangsstrom von I₂, wechselt das Regelungsverfahren von Block 1 zu Block 2. Damit ändert sich die Ausschaltzeitdauer HS_off auf den neuen Wert HS_off ². Die Anschaltzeitdauer HS_on wird entsprechend auf einen Wert HS_on ² angepasst, um das Tastverhältnis gemäß Formel (2) konstant zu halten.
5b zeigt beispielhaft eine Hysterese zwischen zwei Ausgangsstromwerten I₁ und I₂ bei der Regelung zwischen den in 5a gezeigten Blöcken Block 1 und Block 2. Bei der Regelung wird die Ausschaltzeit HS_off dann in Abhängigkeit von der Regelrichtung entweder bei einem Ausgangsstrom I₁ oder bei einem Ausgangsstrom 1₂ geändert, so dass ein unerwünscht häufiges Springen, beziehungsweise Pendeln, zwischen zwei Ausschaltzeiten HS_off während der Regelung verhindert wird. Die Anpassung der Ausschaltzeit HS_off erfolgt vorzugsweise sprunghaft in Abhängigkeit von der Regelung, beispielsweise anhand eines von einem Mikrocontroller ausgewerteten Rückkopplungssignals der Regelung. Es kann in manchen Ausführungsformen aber auch sinnvoll sein, die Ausschaltzeit über eine zeitlich lineare Änderung oder auf andere Art und Weise anzupassen. Wird der Ausgangsstrom nun wieder auf den Wert I1 verringert, erreicht die Anschaltzeitdauer HS_on den für Block 2 vorgesehenen minimalen Wert HS_on ^2,min. Daraufhin wechselt das Regelungsverfahren von Block 2 zurück zu Block 1, d. h. verändert die Ausschaltzeitdauer von HS_off ² zu HS_off ¹. Die Anschaltzeitdauer des Highside-Schalters wird dementsprechend über die Formel (2) auf den Wert HS_on ¹ angepasst.
Während bisher beschrieben wurde, dass in den verschiedenen Blöcken, d. h. Teilbereichen des Ausgangsbereichs, die Ausschaltzeitdauer HS_off des Highside-Schalters unterschiedliche, jeweils konstante Werte annehmen kann, können auch weitere Parameter in den Blöcken, d. h. in den verschiedenen Teilbereichen des Ausgangsbereichs des Leistungswandlers, unterschiedlich und dort jeweils konstant sein. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Regelung eine PI-Regelung oder eine PID-Regelung verwendet. In Ausführungsformen mit einer PI-Regelung kann innerhalb jedes Teilbereichs des Ausgangsbereichs Kp und/oder Ki konstant sein, aber in verschiedenen Teilbereichen unterschiedliche Werte annehmen. In Ausführungsformen mit einer PID-Regelung kann Kp, Ki und/oder Kd innerhalb jedes Bereichs konstant sein, aber in verschiedenen Teilbereichen unterschiedliche Werte annehmen. Die Größen Kp, Ki und Kd können bei einem Übergang zwischen benachbarten Teilbereichen einer Hysterese folgen, wie oben mit Bezug auf HS_off beschrieben wurde. Die genannten Parameter können beispielsweise dazu verwendet werden, eine Anschaltzeitdauer des Highside-Schalters innerhalb jedes Teilbereichs zu regeln, wie beispielsweise gemäß HS_on,t+1 = HS_on,t + ΔHS_on(Kp, Ki) (5) für eine PI-Regelung. HS_on,t+1 ist dabei die Anschaltzeitdauer des Highside-Schalters in einer nächsten Zeitperiode, HS_on,t die Anschaltzeitdauer in der laufenden Zeitperiode und ΔHS_on(Kp, Ki) die Veränderung der Anschaltzeitdauer zur nächsten Zeitperiode, die von den Parametern Kp und Ki abhängt. Bei einer PID-Regelung würde hier gelten: ΔHS_on(Kp, Ki, Kd).
6 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Leistungswandlers mit einer Halbbrückenschaltung. Die Halbbrückenschaltung umfasst dabei einen Highside-Schalter Q2 sowie einen Lowside-Schalter Q3. Die Halbbrückenschaltung ist an ihrem Eingang V_in mit einem Ausgang einer Power Factor Correction(PFC)-Stufe gekoppelt. Zwischen dem Eingang V_in und einer Masse GND befindet sich ein erster Kondensator C2. Die Gateanschlüsse des Highside-Schalters und des Lowside-Schalters Q2, Q3 sind über den Anschluss V(Q2-Gate) mit einem Highside-Ausgang bzw. über den Anschluss V(Q3-Gate) mit einem Lowside-Ausgang einer Regelschaltung (nicht gezeigt) verbunden, wie sie oben beschrieben wurde. Der Lowside-Schalter Q3 ist ferner über einen Widerstand R2 mit Masse gekoppelt.
Ferner ist der Lowside-Schalter Q3 parallel hierzu über eine Serienschaltung des Widerstands R7 und des Kondensators C6 mit Masse gekoppelt. Die über den Widerstand R2 abfallende Spannung V(Shunt) kann dabei in einigen Ausführungsformen an den. Rückkopplungseingang der Regelschaltung rückgekoppelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die über dem Kondensator C6 abfallende Spannung V(I, sense) an den Rückkopplungseingang der Regelschaltung rückgekoppelt werden. Durch die Anordnung des Kondensators C6 und den Widerstand R7 misst V(I, Sense) einen Strom, der proportional zum Mittelwert des Stroms durch den Widerstand R2 ist, so dass in solch einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Rückkopplung an die Regelschaltung mittels des von V(I, Sense) gemessenen Strommittelwerts erfolgt. Die Rückkopplung kann dadurch mit einfachen Mitteln erreicht werden. Eine aufwendigere und in der Umsetzung etwas kostenintensivere Alternative ist durch eine weitere Ausgestaltung der Erfindung gegeben, in der die an V(Shunt) abfallende Spannung in Echtzeit durch einen Mikrocontroller überwacht wird, so dass der Mikrocontroller die Regelparameter bereitstellen kann, um diese an den Rückkopplungseingang der Regelschaltung weiterzugeben. Noch eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann dadurch realisiert sein, dass die Rückkopplung über eine Hilfswicklung P2 der Primärseite des Transformators TX1 erfolgt. Diese Rückkopplung erfolgt ähnlich der bereits beschriebenen Rückkopplung via des am Widerstand R2 gemessenen Spannungsabfalls, aus dem der positive Anteil des Primärstroms (I_p > 0) abgeleitet werden kann. Da die Ausgangsspannung V_o während der Einschaltzeit HS_on der an der Sekundärseite S1 des Transformators TX1 anliegenden Spannung V_S1 entspricht, kann V_o auch über den in der Primärwicklung P2 induzierten Strom bestimmt werden. Solch eine Primärwicklung P2 kann dazu beispielsweise an ihrem einen Ende mit Masse und an ihrem anderen Ende über eine Diode mit einem Kondensator und einem weiteren Ausgang V(Aux) verbunden sein.
An einem zwischen dem Highside- und dem Lowside-Schalter Q2, Q3 definierten Knoten befindet sich der Ausgang der Halbbrücke. An den Ausgang der Halbbrücke ist eine Primärseite P1 eines Transformators TX1 über einen Kondensator C3 gekoppelt. Eine Sekundärseite S1 des Transformators TX1 ist über einen Kondensator C201 und eine Induktivität L201 mit einem Ausgang V_o des Leistungswandlers gekoppelt. An einen Knotenpunkt zwischen dem Kondensator C201 und der Induktivität L201 ist eine Diode D201 gekoppelt, die an ihrem anderen Anschluss mit der Masse verbunden ist. Ferner ist der Ausgang V_o des Leistungswandlers über eine Kapazität C202 ebenfalls mit Masse verbunden.
Die 7 und 8 zeigen jeweils eine alternative Ausgestaltung der in 6 gezeigten Schaltung einer resonanten Halbbrücke mit einem Ćuk-Konverter gemäß weiterer Ausführungsformen. In beiden Ausgestaltungen ist die Primärseite im Vergleich zur 6 leicht modifiziert dargestellt. 7 zeigt eine Primarseite, in der das eine Ende der Wicklung P1 nicht mit Masse verbunden ist, sondern über den Widerstand R2 mit Masse gekoppelt ist.
8 zeigt eine weitere Modifikation, die im Wesentlichen der 7 entspricht, bei der jedoch die Source des Transistors Q3, und somit auch ein Anschluss des Widerstands R7, mit Masse verbunden ist. Im Gegensatz hierzu ist das Source des Transistors Q3 in den Ausführungsformen der 6 und 7 jeweils über den Widerstand R2 mit Masse gekoppelt.
9 zeigt eine weitere, alternative Möglichkeit, das Rückkopplungssignal abzugreifen, die exemplarisch als Modifikation der Schaltung aus 6 gezeigt ist, jedoch auch als Variante für die in den 7 und 8 gezeigten Schaltungen verwendet werden kann. Hierzu weist die Primärseite des Transformators TX1 als Hilfswicklung eine weitere Primärwicklung P2 auf, die über eine Diode D1 mit einem Ausgang V(Aux) verbunden ist, der über einen Kondensator C7 mit Masse GND verbunden ist. An dem Ausgang V(Aux) kann dann der in der Hilfswicklung induzierte Strom gemessen werden. Aus dieser Messung kann auf den Ausgangsstrom des Leistungswandlers geschlossen werden und somit der oder die Regelparameter bestimmt werden.
Bezugszeichenliste

C2, C3, C6, C7, C201, C202

Kondensator

D201, D1

Diode

L201

Induktivität

TX1

Transformator

P1, P2

Primärwicklung

Q2, Q3

MOSFET-Schalter

R2, R7

Widerstand

S1

Sekundärwicklung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Schaltnetzteile und ihre Peripherie” von U. Schlienz, Verlag Vieweg, 2001 [0002]

Claims

Regelungsverfahren für eine resonante Halbbrückenschaltung eines Leistungswandlers mit einem Highside-Schalter (Q2) und einem Lowside-Schalter (Q3), wobei der Leistungswandler einen Ausgangsbereich aufweist, wobei der Highside-Schalter (Q2) mit einem pulsweitenmodulierten Highside-Gate-Signal (HS_Gate) betrieben wird, das eine Anschaltzeitdauer (HS_on) und eine Ausschaltzeitdauer (HS_off) aufweist, wobei zumindest an einem ersten Arbeitspunkt des Ausgangsbereichs und einem zweiten Arbeitspunkt des Ausgangsbereichs jeweils unterschiedliche Werte für die Anschaltzeitdauer (HS_on) und die Ausschaltzeitdauer (HS_off) des Highside-Gate-Signals (HS_Gate) verwendet werden.
Regelungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Ausschaltzeitdauer (HS_off) des Highside-Schalters (Q2) am ersten und zweiten Arbeitspunkt zwischen 1 μs und 10 μs beträgt.
Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Summe aus Anschaltzeitdauer (RS_on) und Ausschaltzeitdauer (HS_off) des Highside-Gate-Signals (HS_Gate) am ersten und am zweiten Arbeitspunkt gleich ist.
Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Arbeitspunkt sich zumindest in einer Ausgangsspannung (V_o) des Leistungswandlers unterscheiden.
Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Arbeitspunkt sich zumindest in einem Ausgangsstrom (I) des Leistungswandlers unterscheiden.
Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anschaltzeitdauer (HS_on) oder die Ausschaltzeitdauer (HS_off) des Highside-Gate-Signals (HS_Gate) über zumindest einen ersten Teilbereich des Ausgangsbereichs, in dem der erste Arbeitspunkt liegt, konstant ist.
Regelungsverfahren nach Anspruch 6, wobei die Anschaltzeitdauer (HS_on) oder die Ausschaltzeitdauer (HS_off) des Highside-Gate-Signals (HS_Gate) ferner über zumindest einen zweiten Teilbereich des Ausgangsbereichs, in dem der zweite Arbeitspunkt liegt, konstant ist.
Regelungsverfahren nach Anspruch 7, wobei der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich benachbart sind.
Regelungsverfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Anschaltzeitdauer (HS_on) bzw. die Ausschaltzeitdauer (HS_off) des Highside-Gate-Signals (HS_Gate) bei einem Übergang des Arbeitspunktes zwischen dem ersten und dem zweiten Teilbereich einer Hysterese folgt.
Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine PI-Regelung mit mindestens einem Regelparameter Kp für das Proportionalitätsglied und mindestens einem Regelparameter Ki für das Integrierglied oder eine PID-Regelung mit mindestens einem Regelparameter Kp, mindestens einem Regelparameter Ki und mindestens einem Regelparameter Kd für das Differenzierglied verwendet wird, wobei zumindest Kp, Ki oder Kd an dem ersten und dem zweiten Arbeitspunkt unterschiedliche Werte annimmt.
Computerlesbares Medium, auf welchem Instruktionen gespeichert sind, die, wenn sie von einem Mikroprozessor ausgeführt werden, den Mikroprozessor dazu veranlassen, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.
Regelschaltung für eine resonante Halbbrückenschaltung eines Leistungswandlers mit einem Highside-Schalter (Q2) und einem Lowside-Schalter (Q3), wobei der Leistungswandler einen Ausgangsbereich aufweist, wobei die Regelschaltung einen Highside-Ausgang zur Ansteuerung des Highside-Schalters (Q2) der Halbbrückenschaltung, einen Lowside-Ausgang zur Ansteuerung des Lowside-Schalters (Q3) der Halbbrückenschaltung und einen Rückkopplungseingang umfasst, wobei die Regelschaltung dazu eingerichtet ist, an dem Highside-Ausgang ein pulsweitenmoduliertes Highside-Gate-Signal (HS_Gate) auszugeben, das eine Anschaltzeitdauer (HS_on) und eine Ausschaltzeitdauer (HS_off) aufweist, wobei zumindest an einem ersten Arbeitspunkt des Ausgangsbereichs und einem zweiten Arbeitspunkt des Ausgangsbereichs jeweils unterschiedliche Werte für die Anschaltzeitdauer (HS_on) und die Ausschaltzeitdauer (HS_off) des Highside-Gate-Signals (HS_Gate) verwendet werden.
Regelschaltung nach Anspruch 12, welche zumindest teilweise in einem Mikroprozessor implementiert ist.
Regelschaltung nach Anspruch 12 oder 13, wobei der erste und der zweite Arbeitspunkt sich zumindest in einer Ausgangsspannung (V_o) des Leistungswandlers unterscheiden.
Regelschaltung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der erste und der zweite Arbeitspunkt sich zumindest in einem Ausgangsstrom (I) des Leistungswandlers unterscheiden.
Regelschaltung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Anschaltzeitdauer (HS_on) oder die Ausschaltzeitdauer (HS_off) des Highside-Gate-Signals (HS_Gate) über zumindest einen ersten Teilbereich des Ausgangsbereichs, in dem der erste Arbeitspunkt liegt, konstant ist.
Regelschaltung nach Anspruch 16, wobei die Anschaltzeitdauer (HS_on) oder die Ausschaltzeitdauer (HS_off) des Highside-Gate-Signals (HS_Gate) über zumindest einen zweiten Teilbereich des Ausgangsbereichs, in dem der zweite Arbeitspunkt liegt, konstant ist.
Regelschaltung nach Anspruch 17, wobei der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich benachbart sind.
Regelschaltung nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Anschaltzeitdauer (HS_on) oder die Ausschaltzeitdauer (HS_off) des Highside-Gate-Signals (HS_Gate) bei einem Übergang des Arbeitspunktes zwischen dem ersten und dem zweiten Teilbereich einer Hysterese folgt.
Regelschaltung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, bei der eine PI-Regelung mit mindestens einem Regelparameter Kp für das Proportionalitätsglied und mindestens einem Regelparameter Ki für das Integrierglied oder eine PID-Regelung mit mindestens einem Regelparameter Kp, mindestens einem Regelparameter Ki und mindestens einem Regelparameter Kd für das Differenzierglied verwendet wird, wobei zumindest Kp, Ki oder Kd an dem ersten und dem zweiten Arbeitspunkt unterschiedliche Werte annimmt.
Leistungswandler mit einer resonanten Halbbrückenschaltung, die einen Highside-Schalter (Q2) und einen Lowside-Schalter (Q3) umfasst, einem Transformator (TX1) und einer Regelschaltung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 20, wobei eine Primarseite (P1) des Transformators (TX1) an einen Ausgang der Halbbrückenschaltung gekoppelt ist und eine Sekundärseite (S1) des Transformators (TX1) an einen Ausgang des Leistungswandlers gekoppelt ist, wobei der Highside-Ausgang der Regelschaltung mit dem Highside-Schalter (Q2) der Halbbrückenschaltung gekoppelt ist und der Lowside-Ausgang der Regelschaltung mit dem Lowside-Schalter (Q3) der Halbbrückenschaltung gekoppelt ist, und wobei der Rückkopplungseingang der Regelschaltung mit der Halbbrückenschaltung gekoppelt ist.
Leistungswandler nach Anspruch 21, wobei ein durch den Lowside-Schalter (Q3) fließender Strom oder ein in einer zweiten Primärwicklung (P2) der Primarseite des Transformators (TX1) induzierter Strom an den Rückkopplungseingang der Regelschaltung zurück gekoppelt ist.
Leistungswandler nach Anspruch 21 oder 22, wobei der Rückkopplungseingang der Regelschaltung mit dem Ausgang der Halbbrückenschaltung gekoppelt ist.